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Etablierung und Optimierung eines neuartigen Papillomvirus-Tiermodells für pharmakologische Studien
(2001)
Papillomviren sind kleine nicht umhüllte DNA Viren, welche zu der Gruppe der Papovaviren gehören. Bis heute sind über 80 humanpathogene Papillomviren charakterisiert worden, welche spezifisch die Haut oder Schleimhaut infizieren und dort meist Benigne Tumore, wie z. B. vulgäre Warzen, Larynxpapillome oder genitale Warzen (Kondylome), induzieren. Bei langjähriger Persistenz des viralen Genoms und partieller Expression der viralen Gene können die Warzen jedoch maligne entarten und Karzinome bilden. Hurnane Papillomviren sind die am häufigsten sexuell übertragenen Infektionserreger, daher sind vor allem die malignen genitalen Turnore, wie das Zervixkarzinom, eine der häufigsten malignen Erkrankungen der Frau, mit 500.000 neuen Fällen jährlich weltweit, klinisch relevant. Derzeit wird zudem über eine mögliche Rolle der Papillomviren bei der Entstehung von Hautkrebs diskutiert. Der Vermehrungszyklus aller Papillomviren ist eng mit dem Differenzierungsgrad der infizierten Wirtszelle verknüpft. Die Replikation des viralen Genoms und die Synthese der Kapsidproteine findet bevorzugt in den terminal differenzierten Schichten des Epithels statt. Daher enllöglicht die Monolayer-Zellkultur keine Vermehrung von PV und erlaubt lediglich die Untersuchung begrenzter Ausschnitte im viralen Lebenszyklus. Dieser Umstand erschwert die Analyse später viraler Funktionen und ist auch eine Ursache dafiir, dass bis heute noch keine antiviral wirksame Therapie gegen Papillomviren existiert, ebenso wenig wie ein Impfstoff. Die Behandlung von Warzen beschränkt sich auf physikalische Methoden wie chirurgische Entfernung oder den Einsatz von Kryotherapie oder CO2-Laser, ohne dabei die virale DNA vollständig zu eliminieren. Zusätzlich werden fiir die Behandlung von HPV-Läsionen auch Substanzen mit immunmodulierenden Eigenschaften, wie z. B. Interferone und Imiquimod (Aldara TM), eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Xenograft-Maus-Modell, das SCID-Bo-Modell, etabliert, bei welchem mit Bovinem Papillomvirus Typ 2 (BPV2) infizierte Kälberskrotalhaut auf den Rücken von SCID-Mäusen transplantiert wurde. Dieses Modell kann sowohl der Identifizierung von PV -inhibierenden Substanzen dienen als auch der Untersuchung des viralen Replikationszyklusses. Fünf Monate nach der Infektion bildeten sich Fibropapillome, welche die typische histologische Merkmale einer Papillomvirusinfektion (Akanthose, Papillomatose, Hyperkeratose, Koilocytose und Parakeratose) aufwiesen. Durch den Nachweis von Kapsidproteinen und der Produktion von infektiösen Viruspartikeln konnte zudem gezeigt werden, dass sich die im SCID-Bo-Modell induzierten Tumore nicht von natürlich vorkommenden Rinderwarzen unterschieden. Im Gegensatz zur nativen BPV2-DNA führte die Transfektion von einer gleich großen Menge an rekombinanter BPV2-DNA nur zu der Etablierung einer abortiven Infektion, bei welcher ausschließlich die friihen viralen Gene transkribiert und somit keine Viren produziert wurden. Diese Turnore zeigten außerdem nur einige schwach ausgeprägte morphologische Veränderungen der Epidermis und keine Proliferation der Dermis. Die Tumorbildung mittels rekombinanter virale DNA konnte weder durch die Verwendung eines Transfektions-Reagenzes noch durch die Erhöhung der Input-DNA entscheidend verbessert werden. Das E2-Protein ist das wichtigste Regulatorprotein der Papillomviren. Es ist nicht nur für die Replikation essentiell, sondern es reguliert auch die virale Transkription. Dennoch ist die Funktionen der einzelnen E2-Bindungsstellen (E2BS), welche in mehreren Kopien über das virale Genom verteilt sind, weitgehend unbekannt. Zwei in der nicht kodierenden Region liegende E2BS, E2BSS und E2BS8 wurden mutiert und in Zellkultur sowie im SCID-Bo-Modell getestet. Es konnten jedoch weder in C127-Zellen noch im Tiermodell Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutanten in Hinblick auf die untersuchten Merkmale festgestellt werden. Auch in diesem Versuchsansatz konnte durch die Transfektion der rekombinanten viralen DNA nur eine abortive Virusinfektion etabliert werden. Das SCID-Bo-Modell eignet sich daher nur bedingt für genetische Studien mit in Bakterien synthetisierter Papillomvirus-DNA, da in dem bestehenden Modell nur die Auswirkungen auf frühe Ereignisse der Infektion untersucht werden können. Restriktionsanalysen mit den methylierungssensitiven Euzymen Hpall/Mspl und Hhal ergaben, dass die Unterschiede in der Tumorbildung bei Verwendung von rekombinanter und nativer DNA wahrscheinlich auf ein unterschiedliches Methylierungsmuster der CpG-Motive in den BPV2-Genomen zurückzuführen sind. Diese Annahme wird durch die Beobachtung gestützt, dass auch in Cl27-Zellen passagierte rekombinante BPV2-DNA nur zu der Induktion von Tumoren führt, welche keine Fibrombildung zeigten. Das hier auf Grundlage des Xenograft-Maus-Modells etablierte Tiermodellsystem ermöglicht die Untersuchung des viralen Replikationszyklus und die Produktion von Viren. Außerdem bietet das SCID-Bo-Model wegen seiner hohen Reproduzierbarkeit die idealen Bedingungen für die Identifikation antiviraler Substanzen. Für die Untersuchung von Virusmutanten eignet sich dieses Modellsystem jedoch nur bedingt. Weitere Versuche mit dem Ziel, die Tumorinduktion durch rekombinante DNA zu optimieren, und die Aufklärung der Gen-Regulation sind notwendig, um genetische Studien auch im Tiermodell durchführen zu können.
Die vorliegende Arbeit gliederte sich in 3 Teilbereiche. Der erste Teilbereich beschäftigte sich mit der antiviralen in vitro Wirkung von EDDS (Ethylendiamindinbernsteinsäure), sowie mit der Wirkung von EDDS, DTPA (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DFO (Desferrioxamin) im Tiermodell. EDDS zeigte in vitro eine vielversprechende Wirkung gegenüber verschiedenen HCMV Stämmen. Hierunter befanden sich GCV und HPMPCresistente Stämme. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Wirkstoffe, da die Therapie von HCMVbedingten Erkrankungen mit hohen Nebenwirkungen verbunden ist und zudem durch vermehrtes Auftreten von Resistenzen gegenüber den etablierten Therapeutika GCV, HPMPC und Foscarnet erschwert wird. Die invitroDaten legen einen ähnlichen antiviralen Wirkmechanismus des EDDS verglichen mit DTPA nahe. Diese Ähnlichkeit wird durch die enge strukturelle Verwandschaft der Stoffe noch unterstrichen. Im Mausmodell zeigte jedoch keiner der 3 untersuchten Chelatoren eine erfolgversprechende protektive Wirkung gegenüber MCMVInfektionen. Damit wurden vorangegangene Untersuchungen im Rattenmodell bestätigt. Trotz vielversprechender anderslautender Ergebnisse, die auf eine invivoWirkung von DFO gegenüber CMVInfektionen hinwiesen, scheint damit der Einsatz der Chelatoren aufgrund ihrer sehr kurzen Halbwertszeit im Körper stark limitiert. Der zweite Teil der Dissertation befaßt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von peptidischen Wirkstoffträgersystemen für DTPA. Hierbei ließen sich reproduzierbar lösliche HSADTPA und GelBDTPAKonjugate, sowie HSADTPA und GelBDTPANP herstellen. Die antivirale und die antitumorale Wirkung dieser Konjugate wurde in vitro untersucht. Da für die antitumorale Wirkung von DTPA bisher keine Daten vorlagen, wurde zunächst die Cytotoxizität in einer NBZellinie und in 3 BrustkrebsZellinien bestimmt. Als Vergleich dienten HFF. Es zeigte sich, daß DTPA in unterschiedlichen Konzentrationen gegenüber den untersuchten Zellinien cytotoxisch war, eine Tumorspezifität konnte jedoch nicht festgestellt werden. Die Cytotoxizität und die antivirale Wirkung des DTPA wurden in vitro durch Bindung an die unterschiedlichen peptidischen Trägersysteme deutlich erhöht. Dies führte jedoch nicht zu einer Erhöhung der therapeutischen Breite, da HFF in gleichem Maße stärker geschädigt wurden. Trotzdem bieten die Trägersystem Zubereitungen im Hinblick auf eine invivoAnwendung einige Vorteile. Es könnten geringere Mengen DTPA eingesetzt werden, was eine verringerte Ausschwemmung von Metallionen zur Folge hätte. Neben einer verlängerten Zirkulationszeit im Organismus könnte die veränderte Körperverteilung zu Verbesserungen führen. Im Falle der antitumoralen Anwendung wäre dies eine Anreicherung im Tumor aufgrund des EPREffektes. Für die antivirale Anwendung wären die Anreicherung in entzündeten Geweben, sowie die Anreicherung in Monozyten und Makrophagen von großem Interesse, da diesen Zellen ein entscheidender Anteil an dem durch CMV verursachten Multiorganbefall zugerechnet wird. Trotzdem bedarf der invivoEinsatz einer eingehenden Evaluierung und erscheint aufgrund der geringen therapeutische Breite insbesondere im Hinblick auf die Therapie von Tumoren stark eingeschränkt. Bezüglich des cytotoxischen Mechanismus weist die Wirkung der DTPAKonjugate darauf hin, daß DTPA den Zellzyklus und die Virusreplikation durch Wechselwirkung mit der Zellmembran und dadurch Veränderung der Signaltransduktion beeinflußt. Da eine geringere DTPAMenge größere Effekte verursacht, erscheint es unwahrscheinlich, daß die Komplexierung von Metallionen für die Wirkungen verantwortlich war. Im dritten Teil dieser Dissertation wurde eine PLANPTrägersystem für das antitumoral wirksame Enzym BSRNase entwickelt. BSRNase zeigte in vitro und bei intratumoraler Applikation sehr vielversprechende, selektive antitumorale Effekte gegenüber proliferierenden und ruhenden Tumorzellen. Die systemische Applikation war jedoch nicht erfolgreich. Dieses Scheitern wurde auf hohe Antigenität, kurze Halbwertszeit der Substanz im Körper und auf eine ungenügende Körperverteilung zurückgeführt. NP sind geeignet die Zirkulation im Körper zu verlängern und reichern sich in Tumoren aufgrund des EPREffektes an. PLANP wurden ausgewählt, da sie BSRNase in ausreichendem Maß binden und da PLA ein bioabbaubares und bioverträgliches Material ist. In vitro unterschied sich die nanopartikuläre Zubereitung bei der Wirkung gegenüber normalen, Lymphom und Leukämiezellen nicht. Beide BSRNaseZubereitungen induzierten Apoptose in parentalen und chemoresistenten Krebszellen. Normale Zellen wurden nicht in ihrer Viabilität beeinträchtigt. Die aspermatogenen und antiembryonalen Wirkungen von BSRNaseZubereitungen weisen auf ihre antitumoralen Eigenschaften hin. In diesen beiden Testsystemen übertraf die nanopartikuläre Zubereitung die Wirkung der BSRNaseLösung. InvivoVersuche müssen nun den tatsächlichen Stellenwert der BSRNasePLANP zeigen.
Natural killer (NK) cells are white blood lymphocytes of the innate immune system that have diverse biological functions, including recognition and destruction of certain microbial infections and neoplasms [1]. NK cells comprise ~ 10% of all circulating lymphocytes and are also found in peripheral tissues including the liver, peritoneal cavity and placenta. Resting NK cells circulate in the blood, but, following activation by cytokines, they are capable of extravasation and infiltration into most tissues that contain pathogen-infected or malignant cells [2-5]. NK cells discriminate between normal and abnormal cells (infected or transformed) through engagement and dynamic integration of multiple signaling pathways, which are initiated by germline-encoded receptors [6-8]. Healthy cells are protected from NK cell-mediated lysis by expression of major histocompatibility complex (MHC) class I ligands for NK cell inhibitory receptors [6, 9]. The MHC is a group of highly polymorphic glycoproteins that are expressed by every nucleated cell of vertebrates, and that are encoded by the MHC gene cluster. The human MHC molecules are termed human leucocyte antigen (HLA)-A, B and C molecules. Every NK cell expresses at least one inhibitory receptor that recognizes a self-MHC class I molecule. So, normal cells that express MHC class I molecules are protected from self-NK cells, but transformed or infected cells that have down-regulated MHC class I expression are attacked by NK cells [10]. There are 2 distinct subsets of human NK cells identified mainly by cell surface density of CD56. The majority (approximately 90%) of human NK cells are CD56dimCD16bright and express high levels of FcγRIII (CD16), whereas a minority (approximately 10%) are CD56brightCD16dim/- [11]. Resting CD56dim NK cells are more cytotoxic against NK-sensitive targets than CD56bright NK cells [12]. However, after activation with interleukin (IL)-2 or IL-12, CD56bright cells exhibit similar or enhanced cytotoxicity against NK targets compared to CD56dim cells [12-14]. The functions of NK cells are regulated by a balance of signals (Fig. 1.1). These are transmitted by inhibitory receptors, which bind MHC class I molecules, and activating receptors, which bind ligands on tumors and virus-infected cells [15]. These receptors are completely encoded in the genome, rather than being generated by somatic recombinations, like T- and B-cell receptors.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss des HIV-Protease-Inhibitors Saquinavir und seines Derivates Saquinavir-NO auf die ABC-Transporter vermittelte Chemoresistenz in Tumorzellen untersucht. Saquinavir-NO zeigte in drei verschiedenen Tumorentitäten stärkere zytotoxische Wirkung als Saquinavir. Weder die Expression der ABC-Transporter MDR1 oder BCRP1 noch der zelluläre p53-Status hatten einen Einfluss auf die Zellsensitivität. MDR1-exprimierende chemoresistente Tumorzellen wurden durch Saquinavir-NO stärker gegen ausgewählte Zytostatika resensitiviert als durch Saquinavir. An chemosensitiven MDR1-negativen Zellen wurden keine Effekte beobachtet. Des Weiteren wurde die Neuroblastomzelllinie UKF-NB-3 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für MDR1 transduziert. In diesem MDR1-transduzierten Zellmodell wurde die Sensiti-vität gegen das MDR1-Substrat Vincristin durch Saquinavir-NO stärker erhöht als durch Saquinavir. Am Durchflusszytometer wurde der Einfluss von Saquinavir und Saquinavir-NO auf die intrazelluläre Akkumulation des fluoreszierenden MDR1-Substrates Rhodamin 123 untersucht. In MDR1-exprimierenden Zelllinien führte Saquinavir-NO zu einer deutlich stärkeren Akkumulation von Rhodamin 123 als Saquinavir. In MDR1-negativen Zellen wurden keine Effekte beobachtet. Mit Hilfe des MDR1-ATPase-Assays und Wash-Out-Kinetiken am Durchflusszytometer wurde die Frage geklärt, ob Saquinavir und Saquinavir-NO als Substrate oder als allosterische Inhibitoren für MDR1 fungieren. Die Ergebnisse beider Assays lassen den Schluss zu, dass sowohl Saquinavir als auch Saquinavir-NO jeweils ein Substrat für MDR1 darstellen. Um den Einfluss von Saquinavir und Saquinavir-NO auf den ABC-Transporter BCRP1 zu untersuchen, wurde die Neuroblastomzelllinie UKF-NB-3 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für BCRP1 transduziert. Die BCRP1-transduzierten Zellen wurden durch Saquinavir und Saquinavir-NO in vergleichbarem Ausmaß zu dem BCRP1-Substrat Mitoxantron sensibilisiert. Saquinavir-NO ist somit im Vergleich zu Saquinavir der deutlich potentere MDR1-Inhibitor, während beide Substanzen gleichermaßen BCRP1 beeinflussten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss des MDM2-Inhibitors Nutlin-3 auf die ABC-Transporter-vermittelte Chemoresistenz in Tumorzellen untersucht. Nutlin-3 zeigte aufgrund seiner Funktion als MDM2-Inhibitor an Zellen mit Wildtyp-p53 stark zytotoxische Effekte. An Zellen mit einer p53-Mutation oder an Zellen, die p53-negativ sind, waren diese Effekte nicht zu beobachten. Die Behandlung mit Nutlin-3 führte in p53-Wildtypzellen zur Induktion diverser p53-Zielgene (p21, MDM2, GADD). In Zellen mit mutiertem p53 blieb diese Induktion nach Nutlin-3-Behandlung aus. Chemoresistente MDR1-exprimierende Tumorzellen wurden durch Nutlin-3 stark gegen ausgesuchte Zytostatika resensitiviert. Des Weiteren wurde die chemosensitive, p53-mutierte (Nutlin-3-insensitive) und MDR1-negative Rhabdomyosarkomzelllinie RH30 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für MDR1 transduziert. In diesem MDR1-transduzierten Zellmodell wurde die Sensitivität gegen das MDR1-Substrat Vincristin durch Nutlin-3 stark erhöht. Am Durchflusszytomter zeigte sich in MDR1-exprimierenden Zellen durch Behandlung mit Nutlin-3 eine signifikant erhöhte intrazelluläre Akkumulation des fluoreszierenden MDR1-Substrates Rhodamin 123. In MDR1-negativen Zellen wurde dieser Effekt nicht beobachtet. Mit Hilfe des ATPase-Assays und Wash-Out-Kinetiken am Durchflusszytometer wurde die Frage geklärt, ob Nutlin-3 als Substrat oder als allosterischer Inhibitor für MDR1 fungiert. Die Ergebnisse beider Assays lassen den Schluss zu, dass Nutlin-3 ein Substrat für MDR1 darstellt. Nutlin-3 ist ein Racemat und wurde in allen Versuchen als solches verwendet. Das Enantiomer Nutlin-3a hemmt die MDM2-p53-Interaktion als aktives Enantiomer ca. 150-fach stärker als Nutlin-3b. Im letzten Schritt der vorliegenden Arbeit wurde Nutlin-3 in seine Enantiomere Nutlin-3a und Nutlin-3b aufgetrennt und beide Enantiomere wurden im Hinblick auf ihre Wirkung auf MDR1 untersucht. Dabei wurden keine Unterschiede zwischen den beiden Enantiomeren festgestellt. Nutlin-3a und Nutlin-3b interferieren demnach zu gleichen Teilen mit MDR1. Um den Einfluss von Nutlin-3 auf den ABC-Transporter MRP1 zu untersuchen, wurde mit zwei verschiedenen Zellmodellen gearbeitet. In beiden Zellmodellen zeigte sich, dass Nutlin-3 auch den MRP1-vermittelten Efflux der fluoreszierenden Substrate Rhodamin 123 und Calcein-AM inhibiert. Der Befund, dass Nutlin-3 mit der MDR1- und MRP1 vermittelten Chemoresistenz interferiert, ist neu und eine wichtige Information für die Bewertung der beginnenden klinischen Studien zur Untersuchung von Nutlin-3 als antitumorale Substanz.
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den Auswirkungen der Blutkomponenten (neutrophile Granulozyten und Seren) von mit HLM operierten Patienten auf die interzellulären Kontakte in cerebralen mikrovaskulären Zellverbänden auseinander. Dabei wurden Blutkomponenten sowohl von Patienten mit langen (> 80 min) als auch mit kurzen (< 80 min) HLM-Zeiten isoliert. Das Ziel war herauszufinden, welche der Blutkomponenten für die Veränderungen der Integrität und der Morphologie der Zell-Zell-Kontakte verantwortlich sind und dadurch pathologische Störungen der Blut-Hirn-Schranke verursachen können. Die Untersuchungen wurden mit einem BHS-Modell aus cerebralen mikrovaskulären Endothelzellen [BCEC] vom Schwein durchgeführt. Dabei wurde in vitro nach Behandlung des BHS-Modells mit den entsprechenden Blutkomponenten die Integrität der interzellulären Kontakte durch TEER-Messungen untersucht und die morphologischen Veränderungen sowie die Expression der zellkontaktbildenden Moleküle (VE-Cadherin, β-Catenin und Occludin) beobachtet. Es stellte sich heraus, dass Patientenseren, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Herzoperationen isoliert wurden, keinen Einfluss auf die interzellulären Kontakte der BCEC-Kulturen ausüben. Dagegen führten die Kokultivierungen der BCEC mit den neutrophilen Granulozyten [PMN], die zu den gleichen Operationszeitpunkten isoliert wurden wie die Seren, zu Veränderungen innerhalb der Zell-Zell-Kontakte sowohl auf funktioneller (TEER-Abnahme) als auch auf morphologischer Ebene. Unabhängig von der Dauer der HLM-Zeiten und den PMNEntnahmezeitpunkten wirkte sich die Zugabe von PMN herzchirurgischer Patienten durch die TEER-Reduktion negativ auf die Integrität der BCEC-Kulturen aus, wobei PMN, die während des herzschirurgichen Eingriffes isoliert wurden, zu etwas stärkeren aber nicht signifikanten TEER-Abnahmen führten als die preoperativ (vor Narkose) isolierten. Auf morphologischer Ebene konnte man ebenfalls durch die Zugabe von PMN herzchirurgischer Patienten verschiedene Veränderungen der interzellulären Kontakte in BCEC-Kulturen beobachten. Die Patienten-PMN führten unabhängig von den Operationszeitpunkten, an denen sie isoliert wurden, und der Länge der HLM-Zeiten zu einer Ausstreckung der BCEC und somit zu einer Zellformveränderung sowie zu einer Verminderung des membranassoziierten β-Catenin- und Occludin-Anteils und einer Umwandlung des „zickzack“ Membranmusters in ein glattes, fast linienförmiges Muster. Zusätzlich konnte man mit Hilfe der Western-Blot-Analyse eine Abnahme der β-Catenin-Expression (AJ-Protein) in BCEC-Kulturen feststellen, die mit während und nach HLM-Einsatz isolierten PMN kokultiviert wurden. Dabei stammten die isolierten PMN von herzchirurgischen Patienten mit langen HLM-Zeiten aber auch von älteren (77 und 79 Jahre) mit kurzen HLM-Zeiten, was auf eine Abhängigkeit des durch die Patienten PMN verursachten negativen Expressionseffektes vom Patientenalter und der Dauer der HLM-Einsatzzeit deutete. Einen Einfluss der Patienten PMN auf die Expression von VE-Cadherin und Occludin konnte nicht festgestellt werden. Durch die Charakterisierung der Konzentrationsverläufe von neurologischen Markern in herzchirurgischen Patientenseren konnte eine Korrelation zwischen der Dauer der HLM-Einsätze und der NSE- und S-100B-Konzentration in Patientenseren fesgestellt werden. Pathologische Werte der beiden neurologischen Marker konnten jedoch nur bei Patienten mit HLM-Zeiten von mehr als 80 Minuten gemessen werden. Im tierexperimentellen Modell wurde dann die Modifikation der Blut-Hirn-Schranken-Permeabilität im Rahmen von herzchirurgischen Eingriffen mit HLM untersucht. Durch quantitativen Nachweis im Hirngewebe von intravenös appliziertem Evan's-Blue Farbstoff konnte eine erhöhte Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke bei den mit HLM operierten Tieren festgestellt werden. Eine Hirnödembildung war jedoch 6 Stunden nach Experimentende mit Hilfe von MRT-Untersuchungen in keinem der untersuchten Fällen zu beobachten. Zusätzlich zu den oben genannten Experimenten wurde die stabilisierende Eigenschaft von Interferon-β [FN-β] gegenüber dem Blut-Hirn-Schranke-Modell untersucht. Dabei führte die Behandlung der konfluenten BCEC-Kulturen mit IFN-β verschiedener Konzentrationen zu hohen TEER-Anstiegen, was auf eine Stabilisierung der interzellulären Kontakte und somit der Integrität und der Barriereeigenschaften der konfluenten BCEC-Kulturen hinwies.
Schwerlösliche Arzneistoffe besitzen häufig unbeliebte biopharmazeutische Eigenschaften und ihre erfolgreiche Formulierung zur oralen Verabreichung stellt eine der häufigsten und größten Herausforderungen an die pharmazeutische Technologie dar. Unter zahlreichen Verfahren zur Überwindung von absehbaren Bioverfügbarkeitsproblemen kommt den physikalischen Methoden nach wie vor eine zentrale Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wurde erforscht, wie die Bioverfügbarkeit schwerlöslicher Verbindungen durch Anwendung physikalischer Verfahren und in fester Formulierung erhöht und ihre Auflösungsgeschwindigkeit als entscheidender Schritt hierzu optimiert werden kann. Als schwerlösliche Substanzen wurden die Arzneistoffe EMD 57033 und Albendazol, die eine vergleichweise niedrige Lipophilie aufwiesen, sowie Danazol, Felodipin und Fenofibrat (hohe Lipophilie) ausgewählt. Zunächst wurde untersucht, inwieweit eine klassische Wirkstoffmikronisierung dem Problem der schlechten Wasserlöslichkeit und der unzureichenden Auflösungsgeschwindigkeit zu begegnen vermag. In klassischer Art und Weise wurde gemäß der Noyes-Whitney-Beziehung durch Partikelgrößenreduktion die Auflösungsrate gesteigert. Bei großem Dosislöslichkeitsvolumen (>1000 ml) war eine Verbesserung nur bis zu einem gewissen Ausmaß möglich. Es wurde auch festgestellt, dass mit alleiniger Wirkstoffmikronisierung selbst bis in den unteren Mikrometerbereich und sogar bei Vorliegen eines kleinen Dosislöslichkeitsvolumens (<100 ml) eine optimale Auflösungsgeschwindigkeit nicht garantiert und oft nicht erzielt werden kann. Der Ansatz der Wirkstoffmikronisierung kann jedoch grundsätzlich empfohlen werden, da sich unabhängig von Dosis und Löslichkeit signifikante Verbesserungen in der Auflösungskinetik ergeben können. Luftstrahlmahlung ist eine zahlreichen anderen Verfahren überlegene Vermahlungstechnik. Sie erlaubt bei entsprechenden Einstellungen die trockene Herstellung ultrafeiner Partikel (1–3 Mikrometer) in kontinuierlichem oder Batch-Betrieb bei gut steuerbarem Prozess, der das Mahlgut praktisch keiner Temperaturbelastung unterwirft. Staubentwicklung und Abrieb müssen jedoch beachtet werden. Freisetzungen wurden in biorelevantem Medium (z.B. FaSSIF), das bestmöglich die gastrointestinalen Gegebenheiten simuliert, sowie zusätzlich in einem Mediumhöheren Tensidgehaltes durchgeführt, das zur Berücksichtigung einer ungehinderten Absorption der BCS-Klasse II-Substanzen in vivo-Sink-Bedingungen darstellte. Diese Vorgehensweise ist grundsätzlich zu empfehlen. Für EMD 57033 wurde zudem nachgewiesen, dass eine biorelevante Freisetzungsprüfung auch in einfachen SLSLösungen möglich ist. Das Dosislöslichkeitsvolumen nimmt grundsätzlich bedeutenden Einfluss auf das Freisetzungsverhalten. Die trockene Covermahlung ist ein äußerst erfolgreicher prozesstechnischer Schritt zur Formulierungsverbesserung. Sie wird durch Vermahlung eines Wirkstoffes mit einem oder mehreren Hilfsstoffen dargestellt. Durch Covermahlung per Gasstrahl zubereitete Formulierungen mit 10% Wirkstoffanteil erzielten für alle untersuchten Arzneistoffe eine optimale Auflösungsgeschwindigkeit und rasches Erreichen maximaler Freisetzung. Vergleichbaren physikalischen Mischungen sowie einfacher Mikronisierung war sie deutlich überlegen. Im Gegensatz zu reiner Wirkstoffmikronisierung bildete die Freisetzung nach Covermahlung nicht ausschließlich diskrete messbare Stoffeigenschaften ab (z.B. Korngröße), sondern war vielmehr das Ergebnis eines Herstellungsprozesses. Die qualitative und quantitative Auswahl der Hilfsstoffe prägte zudem das Freisetzungsverhalten entscheidend und in stärkerem Ausmaß als der Vermahlungsgrad. Die deutliche Verbesserung der Auflösungsgeschwindigkeit eines Wirkstoffes nach Covermahlung war unabhängig von der Wahl des Freisetzungsmediums und dem vorliegenden Dosislöslichkeitsvolumen. Die Kristallinität aller Arzneistoffe, mittels Röntgendiffraktometrie und DSC untersucht, wurde durch die Covermahlung nicht verändert. Die Korngröße eines covermahlenen Produktes konnte bei Einsatz schwer vermahlbarer Hilfsstoffe unter Umständen nicht auf den Wirkstoff projiziert werden. HPMC erwies sich als schwer vermahlbar. Für eine Aktivsubstanz (EMD 57033) wurde sogar die Ausbildung übersättigter Lösungen bei Freisetzung covermahlener Formulierungen nachgewiesen, die nicht in Phasenumwandlungen des Wirkstoffes oder in reiner Partikelgrößenreduktion begründet war. Lactose als Hilfsstoff förderte eine sehr hohe initiale Auflösungsgeschwindigkeit, oftmals wurde vollständige Freisetzung bereits nach 15 Minuten erreicht. Polymere wie HPMC und PVP wirkten stabilisierend, jedoch auch verzögernd. SLS förderte ebenfalls eine optimale Auflösungsrate durch Überwindung von etwaigen Benetzbarkeitsproblemen einesein gemahlenen) Wirkstoffes, unterband jedoch die Bildung von übersättigten Konzentrationen. Covermahlungen zeichneten sich durch eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Herstellungsprozess und Produkt (einschließlich Freisetzungscharakteristik) aus und waren als deutlich robuster gegenüber reinen Wirkstoffvermahlungen einzustufen. Covermahlene Mischungen zeigten perfekte Homogenität. Der Wirkstoffgehalt ist zwingend nach Covermahlung zu prüfen, da sich durch den Herstellungsprozess leichte Verschiebungen in der quantitativen Zusammensetzung der Formulierung ergeben können. Covermahlungen sind industriell problemlos abbildbar. Covermahlene Formulierungen von EMD 57033 mit Lactose oder Polymeren bildeten ihre Überlegenheit gegenüber reinen Wirkstoffmikronisierungen, die sich in vitro durch die Ausbildung übersättigter Lösungen darstellte, auch in vivo in Hunden ab. Zwar steigerte bereits die Vermahlung des reinen Arzneistoffes seine orale Bioverfügbarkeit (0% - 37% relative BV), der Einsatz der Covermahlung konnte diese jedoch noch weiter erhöhen und nahezu verdoppeln (55%, 68%). Multiple Level CKorrelationen covermahlener und mikronisierter Wirkstoffformulierungen belegten erfolgreiche in vitro-Simulationen. Sprühtrocknungen schwerlöslicher Stoffe aus wässriger Umgebung geht das Problem voraus, den Stoff nicht in ausreichendem Maße auflösen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde daher mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle Kristallsuspensionen von Wirkstoffnanopartikeln (<200 nm, Messung durch Laserbeugung und Auswertung nach der Mie-Theorie) hergestellt, die dann getrocknet wurden. Den zwischenzeitigen Vorteil der extrem hohen Oberfläche in Form von Nanoteilchen gab der Wirkstoff nach Sprühtrocknung oder Sprüheinbettung (bei Anwesenheit gelöster oder (nano-) suspendierter Hilfsstoffe) wieder ab. Die Kombination aus Nanonisierung und Sprühtrocknung stellt prozesstechnisch zwei Herstellungsschritte dar und beeinträchtigt – neben der fundamentalen Problematik der Stabilisierung von Intermediaten – die Stabilität eines Wirkstoffes durch Flüssigkeitskontakt (Nassmahlung) und thermische Belastung (Sprühtrocknung). EMD 57033 verblieb bei Sprühtrocknungen kristallin und wies verglichen mit covermahlenen Formulierungen eine schwächere Auflösungsgeschwindigkeit auf. Eine Ausnahme bildete die Sprüheinbettung mit SLS, die jedoch in derPharmakokinetikstudie den Covermahlungen unterlegen war (relative Bioverfügbarkeit 47%). Fenofibrat ging fast vollständig in den amorphen Zustand über und zeigte bei Freisetzung das typische Bild einer schnellen Rekristallisation. Fazit Im Gegensatz zu Wirkstoffmikronisierungen oder Sprühtrocknungsverfahren können trockene Covermahlungen mit ausgewählten Hilfsstoffen universell das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Auflösung schwerlöslicher Stoffe optimieren (vollständige Auflösung oder Sättigung erreicht). In Abhängigkeit von Wirk- und Hilfsstoffen werden sogar Übersättigungen erzielt, die auch in vivo in einer gesteigerten oralen Bioverfügbarkeit abgebildet werden können.
In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Stoffe als Photosensibilisatoren evaluiert, deren photodynamische Aktivität gegenüber den Pioniersubstanzen deutlich verbessert werden konnte. Vielen dieser Moleküle blieb jedoch aufgrund ihrer ungünstigen physikochemischen Eigenschaften oder der auftretenden Toxizität die Marktreife versagt. Nanopartikuläre Trägersysteme sind geeignet, Verträglichkeit und Effektivität der Photodynamischen Therapie zu verbessern sowie die Selektivität bei der Behandlung bestimmter Tumorspezies deutlich zu erhöhen. Um dieses Prinzip auf verschiedene Photosensibilisatoren anwenden zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Nanopartikel aus humanem Serumalbumin (HSA) durch Desolvatation hergestellt und die adsorptive, die inkorporative sowie die kovalente Bindung an das Trägersystem untersucht. ...
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Transport von PBCA-Nanopartikeln über die Blut-Hirn-Schranke und deren Einsatz als Arzneiform bei verschiedenen Erkrankungen des ZNS. Die Untersuchung des Einfluß von Nanopartikeln auf die Barriere-Eigenschaften postkonfluenter Endothelzellen und des Transportmechanismus von Nanopartikeln über einen Endothelzelllayer erfolgte in einem komplexen in vitro-BHS-Zellkulturmodell. Der Ausgangspunkt für diese Untersuchung war die Erkenntnis, daß PS80-überzogene PBCA-Nanopartikel von Endothelzellen in vitro aufgenommen werden und das nach Applikation von Doxorubicin-beladenen Nanopartikeln in Ratten erhöhte Wirkstoffspiegel im ZNS festgestellt werden konnten. Als in vitro-Zellkulturmodell der BHS wurden primäre bovine Endothelzellen verwendet. An diesen Modellen wurden die Transportmechanismen für PBCA-Nanopartikel untersucht. Dabei zeigte sich, daß PS80-überzogene PBCA-Nanopartikel bevorzugt über einen konfluenten Endothelzellayer transportiert wurden. Die Zugabe verschiedener Nanopartikelzubereitungen zu postkonfluenten Endothelzellmonolayern führte zu einer deutlichen und konzentrationsabhängigen Erhöhung der Permeabilität für Ionen und Makromoleküle. Der zugrundeliegende Aufnahme- bzw. Transportmechanismus ist jedoch noch nicht aufgeklärt. Die Effizienz der wirkstoffbeladenen Zubereitungen wurde in einem intrakranialen Gehirntumor-Modellsystem untersucht. Dabei zeigten Doxorubicin-beladene PBCA-Nanopartikel mit PS 80 die längste und ausgeprägteste antitumorale Wirkung. Der Effekt, der mit nicht-überzogenen Partikeln und mit Doxorubicin-Lösung erzielt wurde, war dagegen nicht so ausgeprägt. Die Überlebenszeit der Tiere liess sich durch die Chemotherapie deutlich verlängern. Dieses Ergebnis ist überaus bemerkenswert, da es in einem solchem Modell mit einer vergleichbaren Arzneiform noch nicht erreicht werden konnte. Es zeigte sich außerdem keine Neurotoxizität der überzogenen partikulären Zubereitungen. Auch dieses Ergebnis ist wichtig, da wiederholt von einer neurotoxischen Wirkung des Wirkstoffes Doxorubicin berichtet worden war. In einem murinen Trypanosomen-Modellsystem liess sich mit den Wirkstoffen CGP 40215, Trybizin und Diminazen der Erfolg, welcher im Gehirntumormodell durch die Bindung von Doxorubicin an Nanopartikel erzielt wurde, nicht wiederholen. Die partikulären Zubereitungen waren gegen die Trypanosomen nicht wirksamer als die reinen Substanzlösungen. Es liess sich keine Lebensverlängerung der Tiere erreichen. Ebenso konnte kein Tier geheilt werden. Das ist wahrscheinlich auf die mangelnde Bindung des Wirkstoffes an die Nanopartikelzubereitungen zurückzuführen. Ebenso kann die geringe Aktivität der Erreger im ZNS und die damit verbundene mangelnde Wirksamkeit der Enzyminhibitoren eine Rolle spielen. Zusammenfassend lässt sich sagen, daß P80-überzogene PBCANanopartikel über die BHS transportiert werden, und für Gehirntumore eine neue, innovative Arzneiform darstellen, welche den herkömmlichen Zubereitungen in Hinblick auf Lebensverlängerung im Tierversuch überlegen ist. Bei konsequenter Weiterentwicklung ist ein Einsatz dieser modernen Arzneiform im Menschen denkbar und möglich.
Im Zentrum dieser Arbeit stand die Umsetzung der Thematik Arzneimittel für den Chemieunterricht an allgemein bildenden Schulen. Ein Hauptziel war es, die wichtigsten Bereiche des Themenkomplexes Arzneimittel für den Chemieunterricht zu strukturieren und für einen problemorientierten sowie alltags- und lebensweltbezogenen Experimentalunterricht zu erschließen. Dabei sollten Versuche entwickelt werden, die einerseits grundlegende Aspekte des Themas Arzneimittel exemplarisch behandeln und mit deren Hilfe sich andererseits fachliche Inhalte der Schulchemie anwendungsorientiert erarbeiten lassen. Dazu wurden geeignete Modellversuche entwickelt und die oft sehr komplexen fachlichen Inhalte entsprechend didaktisch reduziert. ...
Einleitung: Glioblastome, die aggressivsten malignen Gehirntumore, gehören zu den menschlichen Karzinomen mit der schlechtesten Prognose. Ihre Therapie stellt eine große Herausforderung dar. Eine komplette chirurgische Entfernung des Tumors ist auf Grund des infiltrativen Wachstums in gesundes Hirngewebe meist nicht möglich, und trotz der Standardtherapie, die Operation, Chemo- und Radiotherapie umfasst, sind die Behandlungserfolge nicht zufriedenstellend. Erschwerend kommt hinzu, dass das Gehirn vom übrigen Organismus durch die hochselektive Blut-Hirn-Schranke abgegrenzt ist, welche für viele potentiell wirksame therapeutische Substanzen eine Permeabilitätsbarriere darstellt. Somit stehen viele Zytostatika für die systemische Glioblastomtherapie nicht zur Verfügung und eine relative Therapieresistenz ist zu verzeichnen.
Nicht nur die Neuentwicklung von Arzneistoffen für die Pharmakotherapie von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, wie den Gehirntumoren, sondern auch die Etablierung neuer Arzneiformen zur kontrollierten, gewebsspezifischen Arzneistoffapplikation gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Ein Ansatz, der in der Vergangenheit vielversprechende Erfolge erzielte, ist die Einbettung von Arzneistoffen in kolloidale Trägersysteme wie polymere Nanopartikel oder Liposome. Diese Carrier sind in der Lage verschiedene Arzneistoffe über die Blut-Hirn-Schranke zu transportieren, damit diese im zentralen Nervensystem ihre Wirkung ausüben können. Der Grund für diesen Erfolg ist offensichtlich begründet in der nanopartikulären Größe und der besonderen Oberflächenstruktur dieser Träger. Zusätzlich geht mit der vermehrten Anreicherung der Wirkstoffe im Zentralnervensystem eine Verminderung der unerwünschten Arzneimittelwirkungen in peripheren Organen einher, was die Therapie positiv beeinflusst.
In der vorliegenden Arbeit wird die antitumorale Effizienz nanopartikulärer Formulierungen, die den Wirkstoff Doxorubicin enthalten, eingehend untersucht. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der histologischen und immunhistochemischen Analyse der Gehirntumore, die eine genaue
Differenzierung zwischen den Zubereitungen und eine aussagekräftige Effizienzbeurteilung erlaubt. Weiterhin wird der Fokus dieser Arbeit auf die Quantifizierung der Doxorubicinmenge gerichtet, die nach Applikation der nanopartikulären Formulierungen im Gehirn vorliegt.
Enthält u.a. die Publikationen:
Publikation 1:
Transport of drugs across the blood-brain barrier by nanoparticles – A review
Journal of Controlled Release – Special Issue: Drug delivery research in Europe
Status: accepted, geplantes Erscheinungsdatum: 01.2012
Publikation 2:
Increased numbers of injections of doxorubicin bound to nanoparticles lead to enhanced efficacy against rat glioblastoma 101/8
Wohlfart et al. 2009, Journal of Nanoneuroscience, Volume 1, Number 2, December 2009, pp. 144-151 (8)
Publikation 3:
Treatment of glioblastoma with poly (isohexyl cyanoacrylate) nanoparticles
Wohlfart et al. 2011, International Journal of Pharmaceutics 415 (2011) 244-251
Publikation 4:
Drug delivery to the brain using surfactant-coated poly (lactide-co-glycolide)
nanoparticles: Influence of the formulation parameters
Gelperina et al. 2010, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 74 (2010) 157–163
Publikation 5:
Efficient chemotherapy of rat glioblastoma using doxorubicin-loaded PLGA nanoparticles with different stabilizers
Wohlfart et al. 2011, PloS One May 2011, Volume 6, Issue 5, e 19121
Publikation 6:
Kinetics of transport of doxorubicin bound to nanoaprticles across the blood-brain barrier
Wohlfart et al. 2011, Journal of Controlled Release (2011),
doi:10.1016/j.jconrel.2011.05.010, in press